طلاء النيكل والفوسفور بدون استخدام الكهرباء

قبل الطلاء، يجب تنظيف سطح المادة تنظيفًا دقيقًا. فوجود أي مواد صلبة غير مرغوب فيها على السطح يؤدي إلى ضعف عملية الطلاء. ويتم التنظيف عادةً باستخدام سلسلة من المحاليل الكيميائية، بما في ذلك المذيبات غير القطبية لإزالة الزيوت والشحوم، بالإضافة إلى الأحماض والقلويات لإزالة الأكاسيد والمواد العضوية غير القابلة للذوبان وغيرها من الملوثات السطحية. وبعد كل محلول، يجب شطف السطح جيدًا بالماء لإزالة أي بقايا من مواد التنظيف الكيميائية. ^{[ 14 ]}

يمكن أن تؤثر الإجهادات الداخلية في الركيزة الناتجة عن عمليات التشغيل الآلي أو اللحام على عملية الطلاء. ^{[ 14 ]}

المكونات الرئيسية لحمام طلاء النيكل غير الكهربائي هي مصدر كاتيونات النيكل Ni ²⁺وعادةً ما يكون كبريتات النيكل وعامل اختزال مناسب، مثل هيبوفوسفيت الهيدروجين_2PO₄⁻ أو _{بوروهيدريد} BH₄⁻ _. ^{[ 1 ]} مع هيبوفوسفيت ^، ينتج عن ^{التفاعل الرئيسي الذي يؤدي إلى} طلاء النيكلأورثوفوسفيتH₂O_2PO₃ ،الفوسفور ^{العنصري} _، ^{البروتونات} H⁺والهيدروجين الجزيئي H₂ : ^{[ 1 ]}

2 Ni ²⁺+ 8 ساعات₂ PO ⁻ ₂ + 2H₂ O→ 2Ni₀ (s) + 6H₂ PO ⁻ ₃ + 2H ⁺+ 2 P (s) + 3 H₂ (ز)

يُحفَّز هذا التفاعل بواسطة بعض المعادن ، بما في ذلك الكوبالت والبلاديوم والروديوم والنيكل نفسه. وبسبب النيكل، يكون التفاعل ذاتي التحفيز ، ويحدث تلقائيًا بمجرد تكوّن طبقة أولية من النيكل على السطح. ^{[ 1 ]}

غالباً ما يتضمن حمام الطلاء أيضاً ما يلي:

• عوامل معقدة ، مثل الأحماض الكربوكسيلية أو الأمينات لزيادة قابلية ذوبان الفوسفات ومنع ظاهرة التعتيم عن طريق إبطاء التفاعل.
• المثبتات، مثل أملاح الرصاص أو مركبات الكبريت أو المركبات العضوية المختلفة، لإبطاء عملية الاختزال عن طريق الترسيب المشترك مع النيكل.
• تُستخدم المحاليل المنظمة للحفاظ على حموضة المحلول. وتعمل العديد من عوامل التكوين المعقد كمحاليل منظمة.
• تُستخدم مواد مُلمّعة، مثل أملاح الكادميوم أو بعض المركبات العضوية، لتحسين ملمس السطح. وتُرسّب هذه المواد في الغالب مع النيكل (مثل المُثبّتات).
• المواد الخافضة للتوتر السطحي، للحفاظ على الطبقة المترسبة محبة للماء من أجل تقليل التنقر والتلطخ.
• تُستخدم مُسرّعات، مثل بعض مركبات الكبريت، لموازنة انخفاض معدل الترسيب الناتج عن عوامل التكوين المُعقّد. وعادةً ما تُرسّب هذه المُسرّعات بالتزامن مع الطلاء، وقد تُسبب تغيراً في اللون.

نظراً لطبيعة التفاعل التحفيزية الذاتية، يجب تنشيط السطح المراد طلاؤه بجعله محباً للماء، ثم التأكد من أنه يتكون من معدن ذي نشاط تحفيزي. إذا لم يكن الركيزة مصنوعة من أحد هذه المعادن، فيجب ترسيب طبقة رقيقة من أحدها أولاً، باستخدام عملية أخرى.

إذا كانت الركيزة عبارة عن معدن أكثر إيجابية كهربائية من النيكل، مثل الحديد والألومنيوم ، فسيتم إنشاء طبقة أولية من النيكل تلقائيًا عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال مع الحمام، مثل: ^{[ 1 ]}

Fe₀ (ق) +ني ²⁺(aq) → Ni₀ (s) +Fe ²⁺(aq)

2 أ₀ (ق) + 3ني ²⁺(aq) → 3 Ni₀ (s) + 2Al ³⁺(aq)

بالنسبة للمعادن الأقل إيجابية كهربائية من النيكل، مثل النحاس ، يمكن إنشاء طبقة النيكل الأولية عن طريق غمر قطعة من معدن أكثر إيجابية كهربائية، مثل الزنك ، متصلة كهربائياً بالركيزة، مما يؤدي إلى إنشاء خلية جلفانية قصيرة .

على الركائز غير المعدنية ولكنها موصلة للكهرباء، مثل الجرافيت ، يمكن تكوين الطبقة الأولية بتمرير تيار كهربائي قصير عبرها وعبر المحلول، كما هو الحال في الطلاء الكهربائي. أما إذا كانت الركيزة غير موصلة، مثل ABS وأنواع البلاستيك الأخرى، فيمكن استخدام محلول تنشيط يحتوي على ملح معدني نبيل ، مثل كلوريد البلاديوم أو نترات الفضة ، وعامل اختزال مناسب.

يتم التنشيط باستخدام حفر حمضي ضعيف، أو ضربة نيكل، أو محلول خاص، إذا كانت الركيزة غير معدنية.

بعد الطلاء، تُطبّق طبقة كيميائية مضادة للأكسدة أو التشويه ، مثل الفوسفات أو الكرومات ، ثم تُشطف بالماء وتُجفف لمنع التصبغ. قد يكون الخبز ضروريًا لتحسين صلابة الطلاء والتصاقه، وتخفيف أي إجهادات داخلية، وطرد الهيدروجين المحتبس الذي قد يجعله هشًا. ^{[ 14 ]}

يمكن تعديل عمليات طلاء النيكل والفوسفور غير الكهربائي باستبدال النيكل بالكوبالت، كليًا أو جزئيًا، مع تغييرات طفيفة نسبيًا. ^{[ 10 ]} ويمكن تصنيع سبائك أخرى من النيكل والفوسفور باستخدام محاليل مناسبة، مثل سبيكة النيكل والزنك والفوسفور. ^{[ 15 ]}

يمكن لطلاء النيكل والفوسفور الكيميائي إنتاج مواد مركبة تتكون من جزيئات صلبة دقيقة مغمورة في طبقة النيكل والفوسفور. وتتمثل الطريقة العامة في تعليق الجزيئات في محلول الطلاء، بحيث تحيط بها طبقة المعدن المتنامية وتغطيها. وقد طُوّرت هذه الطريقة في البداية من قِبل أوديكيركن عام 1966 لطلاءات النيكل والكروم المترسبة كهربائيًا. في تلك الدراسة، وُزّعت جزيئات مسحوقة دقيقة، مثل أكسيد الألومنيوم وراتنج كلوريد البولي فينيل (PVC)، ضمن طبقة وسيطة داخل مصفوفة معدنية. ومن خلال تغيير محاليل الطلاء، يمكن لهذه الطريقة إنتاج طلاءات متعددة الطبقات ذات تركيبات مختلفة.

كان أول تطبيق تجاري لعملهم هو طلاء محرك الاحتراق الداخلي من نوع وانكل باستخدام طلاءات كربيد السيليكون والنيكل غير الكهربائية . وفي عام 1981، تم استخدام مركب تجاري آخر يحتوي على متعدد رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE) (نيكل-فوسفور). ومع ذلك، كان الترسيب المشترك لجزيئات الماس وPTFE أكثر صعوبة من ترسيب أكسيد الألومنيوم أو كربيد السيليكون. وقد أدى إمكانية دمج الطور الثاني من الجزيئات الدقيقة، التي يتراوح حجمها بين النانومتر والميكرومتر ، ضمن مصفوفة من سبيكة معدنية، إلى ظهور جيل جديد من الطلاءات المركبة. ^{[ 3 ]}

بالمقارنة مع عملية التحليل الكهربائي، تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لطلاء النيكل الكيميائي في أنه يُنتج طبقة متساوية بالسماكة والحجم المطلوبين، حتى في الأجزاء ذات الأشكال المعقدة والتجاويف والثقوب المغلقة. وبسبب هذه الخاصية، قد يكون الخيار الوحيد في كثير من الأحيان. ^{[ 16 ]}

ومن المزايا الرئيسية الأخرى لطلاء EN أنه لا يتطلب طاقة كهربائية أو أجهزة كهربائية أو أدوات تثبيت ورفوف متطورة. ^{[ 16 ]}

إذا تم تركيبها بشكل صحيح، فقد توفر عملية الطلاء بالكهرباء طبقة أقل مسامية، وأكثر صلابة ومقاومة للتآكل وامتصاص الهيدروجين. ^{[ 16 ]}

يمكن أن ينتج عن طلاء النيكل غير الكهربائي طبقات خالية من الإجهاد الميكانيكي المدمج، أو حتى طبقات ذات إجهاد انضغاطي. ^{[ 16 ]}

من عيوب هذه الطريقة ارتفاع تكلفة المواد الكيميائية، التي تُستهلك بنسبة تتناسب مع كتلة النيكل المترسب؛ بينما في الطلاء الكهربائي، تُجدد أيونات النيكل بواسطة مصعد النيكل المعدني. وقد يلزم وجود آليات أوتوماتيكية لتجديد هذه المواد الكيميائية أثناء عملية الطلاء.

تختلف الخصائص المحددة تبعًا لنوع طلاء EN وسبائك النيكل المستخدمة، والتي يتم اختيارها لتناسب التطبيق.

تعتمد الخصائص المعدنية للسبيكة على نسبة الفوسفور. ^{[ 17 ]}

• تحتوي الطلاءات منخفضة الفوسفور على نسبة تصل إلى 4% من الفوسفور. وتصل صلابتها إلى 60 على مقياس روكويل C.

• تُعرف الطلاءات متوسطة الفوسفور ، وهي النوع الأكثر شيوعًا، بأنها تلك التي تحتوي على 4 إلى 10% من الفوسفور، على الرغم من أن النطاق يعتمد على التطبيق: ما يصل إلى 4-7% للتطبيقات الزخرفية، و6-9% للتطبيقات الصناعية، و4-10% للإلكترونيات.

• تحتوي الطلاءات عالية الفوسفور على نسبة 10-14% من الفوسفور. وهي مفضلة للأجزاء التي ستتعرض لبيئات حمضية شديدة التآكل، مثل حفر آبار النفط واستخراج الفحم. قد تصل صلابتها إلى 600 في اختبار فيكرز . تجدر الإشارة إلى أن صلابة فيكرز لا تُقارن بسهولة بمقياس روكويل.

يمكن أن يكون طلاء النيكل غير الكهربائي ذا لمسة نهائية غير لامعة أو شبه لامعة أو لامعة.

تُعدّ طبقات النيكل والفوسفور المُرَسَّبة كيميائياً والتي تحتوي على أقل من 7% من الفوسفور محاليل صلبة ذات بنية ميكروكريستالية، حيث يتراوح قطر كل حبيبة بين 2 و6 نانومتر . أما الطبقات التي تحتوي على أكثر من 10% من الفوسفور فهي غير متبلورة . وبين هذين الحدّين، تكون الطبقة عبارة عن خليط من مواد غير متبلورة ومواد ميكروكريستالية. ^{[ 16 ]}

تكون درجة انصهار سبيكة النيكل والفوسفور المترسبة بواسطة عملية EN أقل بكثير من درجة انصهار النيكل النقي (1445 درجة مئوية)، وتنخفض مع زيادة محتوى الفوسفور، لتصل إلى 890 درجة مئوية عند حوالي 14٪ من الفوسفور. ^{[ 16 ]}

تتناقص الخصائص المغناطيسية للطلاءات مع زيادة محتوى الفوسفور. الطلاءات التي تحتوي على أكثر من 11.2% من الفوسفور غير مغناطيسية. ^{[ 18 ]}

تتميز الطلاءات منخفضة الفوسفور بقابلية جيدة للحام، ولكنها تتناقص مع زيادة محتوى الفوسفور. ^{[ 16 ]}

تقل المسامية مع زيادة محتوى الفوسفور، بينما تزداد الصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل.

تُستخدم عملية طلاء النيكل الكيميائي، المغطى بطبقة رقيقة من الذهب ، في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) لتجنب الأكسدة وتحسين قابلية لحام نقاط التلامس النحاسية والثقوب والوصلات المطلية . ويتم تطبيق الذهب عادةً عن طريق غمر سريع في محلول يحتوي على أملاح الذهب. تُعرف هذه العملية في الصناعة باسم طلاء النيكل الكيميائي بالذهب (ENIG). وهناك نوع آخر من هذه العملية يُضاف إليه طبقة رقيقة من البلاديوم الكيميائي فوق النيكل، وتُعرف هذه العملية بالاختصار ENEPIG. ^{[ 19 ]}